基于PLC的模糊PID控制器在熱風(fēng)干燥箱上的應(yīng)用

王 磐洪苑乾 黃漢英 胡月來(lái) 聶少伍 趙思明

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北 武漢 430070)

基于PLC的模糊PID控制器在熱風(fēng)干燥箱上的應(yīng)用

王 磐1洪苑乾1黃漢英1胡月來(lái)1聶少伍1趙思明2

(1. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)工學(xué)院，湖北 武漢 430070；2. 華中農(nóng)業(yè)大學(xué)食品科技學(xué)院，湖北 武漢 430070)

針對(duì)熱風(fēng)干燥過(guò)程中溫、濕度變化的非線性和大滯后現(xiàn)象，系統(tǒng)采用了模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合的方法，利用模糊PID控制原理，設(shè)計(jì)了模糊PID控制器，實(shí)現(xiàn)了PID參數(shù)在PID控制系統(tǒng)中的在線自整定。試驗(yàn)結(jié)果表明：在目標(biāo)溫度設(shè)定為15 ℃時(shí)，與常規(guī)PID控制相比，基于模糊PID控制的熱風(fēng)干燥控制系統(tǒng)最大超調(diào)量下降了3 ℃，調(diào)節(jié)時(shí)間減少了10 min，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5 ℃，具有更好的動(dòng)態(tài)和靜態(tài)響應(yīng)特性，在參數(shù)改變的情況下更能適應(yīng)熱風(fēng)干燥箱的工程應(yīng)用需求。

模糊PID；PLC；熱風(fēng)干燥；MATLAB；參數(shù)自整定

熱風(fēng)干燥技術(shù)是將具有一定溫、濕度的熱空氣通過(guò)待干燥物料的表面以去除物料中水分的方法，目前廣泛應(yīng)用于農(nóng)產(chǎn)品加工工程中。常壓熱風(fēng)干燥技術(shù)在中國(guó)目前的農(nóng)產(chǎn)品加工產(chǎn)業(yè)中應(yīng)用達(dá)到90%以上[1-2]。

溫、濕度是物料干燥過(guò)程中非常重要的兩個(gè)參數(shù)，直接影響干燥物料品質(zhì)[3-5]，因此將溫、濕度控制在一個(gè)合理的范圍內(nèi)對(duì)物料干燥是非常重要的。目前常用的PID控制雖然結(jié)構(gòu)簡(jiǎn)單，但控制超調(diào)量大，調(diào)節(jié)能力較弱，且依賴于被控對(duì)象的數(shù)學(xué)模型。而溫度和濕度在熱風(fēng)干燥過(guò)程中屬于非線性、大滯后的控制對(duì)象，要得到精確的數(shù)學(xué)模型比較困難，PID控制方法滿足不了控制精度的要求[6-8]。針對(duì)上述問(wèn)題，本試驗(yàn)擬采用模糊控制與常規(guī)PID控制相結(jié)合的方法，設(shè)計(jì)模糊PID控制器，以偏差值e和偏差的變化ec作為輸入，PID參數(shù)Kp、Ki、Kd作為輸出，利用模糊控制規(guī)則在線對(duì)PID參數(shù)進(jìn)行修改，以改善熱風(fēng)干燥箱的控制精度。

1 系統(tǒng)硬件組成

熱風(fēng)干燥箱控制系統(tǒng)以PLC為核心控制器，PC機(jī)作為人機(jī)界面，主要由加熱器、加濕器、制冷系統(tǒng)、轉(zhuǎn)輪除濕系統(tǒng)、循環(huán)風(fēng)機(jī)、溫濕度傳感器等組成。

溫度控制主要是通過(guò)加熱器和制冷系統(tǒng)來(lái)調(diào)節(jié)，濕度控制主要通過(guò)加濕器、制冷系統(tǒng)的蒸發(fā)器表冷除濕和轉(zhuǎn)輪吸附除濕來(lái)實(shí)現(xiàn)，通過(guò)循環(huán)風(fēng)機(jī)對(duì)干燥箱進(jìn)行循環(huán)送風(fēng)，并利用變頻器對(duì)循環(huán)風(fēng)機(jī)進(jìn)行調(diào)速，采用PC機(jī)作為控制系統(tǒng)的上位機(jī)，采用PC/PPI協(xié)議與PLC進(jìn)行通訊，實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)的監(jiān)控[9]。控制系統(tǒng)的硬件結(jié)構(gòu)見圖1。

2 模糊PID控制器

2.1 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)

模糊PID控制器的結(jié)構(gòu)主要包括模糊控制和參數(shù)可調(diào)整的PID控制兩部分。模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)見圖2。

圖1 控制系統(tǒng)硬件結(jié)構(gòu)圖

U. 第k次輸出的控制量e. 第k次采樣時(shí)的采樣偏差值ec. 第k次偏差的變化Kp. 調(diào)節(jié)器的比例積分Kd. 調(diào)節(jié)器的微分系數(shù)Ki. 調(diào)節(jié)器的積分系數(shù)

圖2 模糊PID控制系統(tǒng)結(jié)構(gòu)圖

Figure 2 Fuzzy PID control system structure

設(shè)溫度(或濕度)的給定值為r(t)，溫濕度傳感器檢測(cè)到的值為y，模糊PID控制器的輸入變化量設(shè)置為y與r(t)的偏差值e以及偏差的變化ec，輸出變化量設(shè)置為PID的3個(gè)可調(diào)整參數(shù)Kp、Ki、Kd。

2.2 模糊PID控制器的設(shè)計(jì)

在控制系統(tǒng)中，將箱內(nèi)的溫、濕度設(shè)定值作為控制零界點(diǎn)。模糊控制器的輸入變化量為y與r(t)之間的偏差值和偏差的變化，模糊輸出變化量為Kp、Ki、Kd的修正值△Kp、△Ki、△Kd，建立模糊PID控制器。現(xiàn)在以溫度為例來(lái)說(shuō)明模糊PID控制器的設(shè)計(jì)。

2.2.1 溫度模糊PID控制器各參數(shù)的確定 選定溫度偏差值e和溫度偏差的變化ec作為模糊控制器的輸入變化量，選定PID控制器的參數(shù)Kp、Ki、Kd的修正值△Kp、△Ki、△Kd作為模糊控制器的輸出變化量。

選取溫度偏差值e的基本論域?yàn)閇-6 6]，溫度偏差的變化ec的基本論域?yàn)閇-3 3]；選取語(yǔ)言變量偏差E的模糊論域?yàn)閇-3 3]，偏差的變化EC的模糊論域?yàn)閇-3 3]；模糊子集為{NB NM NS Z PS PM PB}，模糊意義簡(jiǎn)記為{負(fù)大、負(fù)中、負(fù)小、零、正小、正中、正大}；設(shè)定語(yǔ)言輸入變量Kp、Ki、Kd的基本論域分別為[-0.3 0.3]、[-0.06 0.06]、[-3 3]，模糊論域分別為[-0.3 0.3]、[-0.06 0.06]、[-3 3]，模糊集為{NB NM NS Z PS PM PB}，意義同上。

模糊控制器的相關(guān)參數(shù)見表1。

2.2.2 隸屬度函數(shù)(MF)的確定 在模糊控制器的建立過(guò)程中，通過(guò)隸屬度函數(shù)可以方便的獲取各模糊語(yǔ)言變量的賦值表。為了方便計(jì)算，故選取三角形隸屬度函數(shù)曲線[10-12]。

表1 模糊控制器的相關(guān)參數(shù)

由于系統(tǒng)中選取的溫度輸入、溫度輸出的語(yǔ)言變量都是7個(gè)語(yǔ)言值，即NB NM NS Z PS PM PB，對(duì)于輸入變量偏差e選取的7個(gè)語(yǔ)言值為NB(溫差負(fù)大)、NM(溫差負(fù)中)、NS(溫差負(fù)小)、Z(溫差適中)、PS(溫差正小)、PM(溫差正中)、PB(溫差正大)；溫度偏差的變化的7個(gè)語(yǔ)言值為NB(負(fù)溫差變化嚴(yán)重)、NM(負(fù)溫差變化中等)、NS(負(fù)溫差變化不嚴(yán)重)、Z(溫差沒(méi)變化)、PS(正溫差變化小)、PM(正溫差變化中等)、PB(正溫差變化嚴(yán)重)；輸出變量Kp、Ki、Kd選取的7個(gè)語(yǔ)言值分別為NB(負(fù)大)、NM(負(fù)中)、NS(負(fù)小)、Z(零)、PS(正小)、PM(正中)、PB(正大)。根據(jù)現(xiàn)有的PID參數(shù)的整定經(jīng)驗(yàn)，確定輸入、輸出變量在論域上的隸屬度函數(shù)見圖3。

圖3 輸入輸出變量的隸屬度函數(shù)

2.2.3 建立模糊規(guī)則表 模糊規(guī)則是輸入量和輸出量之間模糊蘊(yùn)涵關(guān)系的表現(xiàn)，是用F條件命題對(duì)這種關(guān)系進(jìn)行了表述。基于系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能、響應(yīng)速度、超調(diào)量和穩(wěn)定精度等因素考慮，PID參數(shù)的調(diào)整經(jīng)驗(yàn)規(guī)則[13-15]：

(1) 當(dāng)|e|較大時(shí)，可選擇取較大Kp，這樣可以加快系統(tǒng)的響應(yīng)速度，并減小系統(tǒng)的時(shí)間常數(shù)和阻尼系數(shù)。但Kp過(guò)大時(shí)則會(huì)導(dǎo)致系統(tǒng)的不穩(wěn)定。為避免出現(xiàn)積分過(guò)飽和現(xiàn)象，可選取較小的Kd。此時(shí)，可取Ki=0以避免系統(tǒng)的超調(diào)量較大。

(2) 當(dāng)|e|處于中等大時(shí)，可取較小的Kp以保證系統(tǒng)響應(yīng)的超調(diào)量較小。此時(shí)，為確保系統(tǒng)的響應(yīng)速度較快，可取適中的Kd值。同時(shí)，可將Ki適當(dāng)增大。

(3) 當(dāng)|e|較小時(shí)，可選取較大的Kp和Ki以改善系統(tǒng)的穩(wěn)態(tài)性能，同時(shí)為了避免系統(tǒng)在平衡點(diǎn)時(shí)出現(xiàn)震蕩，Kd的取值應(yīng)適中。

模糊規(guī)則的制定是一個(gè)非常復(fù)雜的過(guò)程，一般是依據(jù)上述經(jīng)驗(yàn)原則和操作者的實(shí)際經(jīng)驗(yàn)來(lái)進(jìn)行總結(jié)的。本系統(tǒng)采用的是“IF ……THEN……”的結(jié)構(gòu)模式，根據(jù)實(shí)際的專家經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)過(guò)程中的經(jīng)驗(yàn)總結(jié)得到49條模糊控制規(guī)則，并利用計(jì)算機(jī)仿真技術(shù)對(duì)這些規(guī)則進(jìn)行了優(yōu)化，結(jié)果見表2。

根據(jù)模糊控制規(guī)則的要求，利用MATLAB軟件對(duì)相應(yīng)的參數(shù)進(jìn)行計(jì)算，得出模糊PID控制規(guī)則查詢表見表3。

表2 溫度輸出變量 Kp、Ki、 Kd的控制規(guī)則表

表3 模糊PID控制規(guī)則查詢表

2.3 系統(tǒng)仿真試驗(yàn)

為了滿足在工程上的使用要求，利用計(jì)算技術(shù)在MATLAB軟件上對(duì)模糊PID控制器進(jìn)行仿真，得出Kp、Ki、Kd在論域上的輸出波形見圖4～6。由圖4～6可知，當(dāng)溫度偏差為-3，溫度偏差的變化為3時(shí)，輸出變量Kp為0，Ki為0，Kd為1.02，與表3結(jié)果一致。

3 控制系統(tǒng)軟件設(shè)計(jì)

控制系統(tǒng)軟件的設(shè)計(jì)主要包括PLC控制程序的設(shè)計(jì)、PC機(jī)監(jiān)控程序的設(shè)計(jì)。

3.1 模糊PID控制程序設(shè)計(jì)

采用STEP-7軟件對(duì)模糊PID控制器的控制程序進(jìn)行設(shè)計(jì)，程序主要分為輸入量量化程序、模糊控制查表程序、去模糊化程序等，流程圖見圖7。

圖4 Kp在論域上的輸出波形圖

圖5 Ki在論域上的輸出波形圖

圖6 Kd在論域上的輸出波形圖

首先，對(duì)系統(tǒng)進(jìn)行初始化設(shè)置，并利用HX-42I1WS型溫濕度傳感器對(duì)熱風(fēng)干燥箱內(nèi)部的溫度和濕度進(jìn)行檢測(cè)，輸送到EM235模塊，由PLC接收EM235模塊送來(lái)的溫、濕度信號(hào)，并與設(shè)定值進(jìn)行比較得到偏差信號(hào)，調(diào)用模糊PID控制算法，通過(guò)輸出占空比可調(diào)的PWM脈沖信號(hào)對(duì)固態(tài)繼電器的通斷時(shí)間進(jìn)行控制，來(lái)完成系統(tǒng)對(duì)溫、濕度的準(zhǔn)確控制。

3.2 監(jiān)控程序設(shè)計(jì)

PC機(jī)監(jiān)控程序主要是實(shí)現(xiàn)對(duì)系統(tǒng)數(shù)據(jù)的采集、存儲(chǔ)、顯示和設(shè)置等功能，系統(tǒng)采用WinCC7.0實(shí)現(xiàn)監(jiān)控工程的組態(tài)。監(jiān)控系統(tǒng)主要包括6個(gè)界面：用戶登錄、工藝流程、參數(shù)設(shè)置、數(shù)據(jù)采集、趨勢(shì)顯示和故障警報(bào)界面。

圖7 模糊PID控制流程圖

4 運(yùn)行試驗(yàn)

4.1 試驗(yàn)材料

鮮活團(tuán)頭魴(武昌魚)：尾重0.5 kg左右，購(gòu)于華中農(nóng)業(yè)大學(xué)農(nóng)貿(mào)市場(chǎng)。

4.2 試驗(yàn)設(shè)備

循環(huán)熱風(fēng)干燥箱：QYH-1500A型，東莞市常平企亞工業(yè)設(shè)備制造廠。經(jīng)本課題組改造后，計(jì)算機(jī)控制系統(tǒng)可對(duì)溫度、濕度、風(fēng)速進(jìn)行實(shí)時(shí)的檢測(cè)或控制，熱風(fēng)干燥箱整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖見圖8。

4.3 試驗(yàn)方法

4.3.1 樣品處理

鮮活團(tuán)頭魴→去鱗、剖背去除內(nèi)臟→清洗并進(jìn)行10%鹽水腌制→瀝干→懸掛待用

4.3.2 干燥方法 在環(huán)境溫度為5～15 ℃的條件下，將干燥溫度設(shè)置為15 ℃，干燥濕度設(shè)置為41%，干燥風(fēng)速設(shè)置為2 m/s。以平行于風(fēng)向的方式將瀝干的團(tuán)頭魴懸掛在熱風(fēng)干燥箱的干燥室內(nèi)進(jìn)行干燥，每條間距約5 cm，以保證團(tuán)頭魴的各個(gè)表面與熱風(fēng)充分接觸，時(shí)間約53 h。

圖8 整機(jī)結(jié)構(gòu)示意圖

4.4 試驗(yàn)結(jié)果

分別采用模糊PID和常規(guī)PID兩種控制方式對(duì)團(tuán)頭魴進(jìn)行干燥處理，得到的溫度響應(yīng)曲線見圖9。

圖9 溫模糊PID和常規(guī)PID響應(yīng)曲線

由圖9可知，在團(tuán)頭魴的干燥過(guò)程中，與常規(guī)PID控制相比，模糊PID控制條件下的溫度調(diào)節(jié)時(shí)間縮短了10 min，超調(diào)量下降了3 ℃，約2 h時(shí)即達(dá)到設(shè)定溫度值，穩(wěn)態(tài)誤差為±0.5 ℃，均小于常規(guī)PID控制。試驗(yàn)結(jié)果表明：模糊PID控制相較于常規(guī)PID控制更能滿足參數(shù)時(shí)變系統(tǒng)的響應(yīng)要求，適應(yīng)性更好。

5 討論

本研究利用MATLAB軟件，采用離線方式計(jì)算出查詢表，并進(jìn)行模擬仿真。應(yīng)用STEP-7設(shè)計(jì)控制程序，解決了PID參數(shù)在線自整定難的問(wèn)題。實(shí)際運(yùn)行結(jié)果表明，模糊PID控制精度提高，響應(yīng)速度快，超調(diào)量小，達(dá)到令人滿意的效果。

針對(duì)干燥過(guò)程溫濕度的模糊PID控制器的設(shè)計(jì)，其關(guān)鍵是模糊查詢表的設(shè)計(jì)，而模糊查詢表的設(shè)計(jì)仍然是根據(jù)專家經(jīng)驗(yàn)和試驗(yàn)總結(jié)進(jìn)行優(yōu)化得到的，有一定的局限性。為了進(jìn)一步提高系統(tǒng)性能，可以采用其他智能控制技術(shù)與模糊控制相結(jié)合的控制方法。

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Fuzzy PID controller based on PLC and application on hot air drying chamber

WANG Pan1HONGYuan-qian1HUANGHan-ying1HUYue-lai1NIEShao-wu1ZHAOSi-ming2

(1.CollegeofEngineeringandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430070,China;2.CollegeofFoodScienceandTechnology,HuazhongAgriculturalUniversity,Wuhan,Hubei430070 ,China)

According to the non-linearity and large-lag phenomena in temperature and humidity in hot air drying process, conventional PID control and fuzzy control were combined using fuzzy PID control theory in the system. A Fuzzy PID controller was designed to achieve the PID parameters’ online self-tuning. Results: when the target temperature is set at 15 ℃, compared with the conventional PID control, the maximum overshoot of the hot air drying control system based on fuzzy PID control is decreased by 3 ℃, the adjustment time is reduced by 10 min and the steady state error is ± 0.5 ℃, with better dynamic and static response characteristics, and in the case of parameter changes can better adapt to the hot air drying oven engineering applications.

fuzzy PID; PLC; hot air drying; MATLAB; PID parameter self-tunin

10.13652/j.issn.1003-5788.2016.12.022

現(xiàn)代農(nóng)業(yè)技術(shù)體系建設(shè)專項(xiàng)基金(編號(hào)：CARS-46-23)

王磐，男，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)在讀碩士研究生。

黃漢英(1964—)，女，華中農(nóng)業(yè)大學(xué)副教授。 E-mail：hhywmx@mailhzau.edu.cn

2016—04—08